秸秆还田和地膜覆盖对稻区土壤理化性质及水稻产量的影响
摘 要:为了探讨秸秆还田与地膜覆盖对东北稻区土壤改良及水稻增产的效果，选用吉粳 88 作为试验材料，在覆膜移栽(F)和不覆膜(F0)移栽 2 种栽培模式下设 5 组秸秆还田量梯度 0%、20%、40%、60%、100%(S0、S1、S2、S3、S4)探究秸秆还田和地膜覆盖对稻区土壤理化性质及其水稻产量的影响。结果显示，在相同秸秆还田量下，覆膜处理土壤容重、pH 值均低于不覆膜处理，覆膜处理土壤全氮、有机质(除 S0 处理)、碱解氮、速效磷、速效钾的含量均高于不覆膜处理;且无论覆膜与否，随着秸秆还田量的增加，土壤容重、 pH 值均呈先降低再增加的趋势，土壤全氮、有机质(除 S0 处理)、碱解氮、速效磷、速效钾的含量均呈先增加再降低的趋势。在相同秸秆还田量处理下，与不覆膜相比，地膜覆盖处理提高了籽粒产量;且随还田量的增加，籽粒产量呈先增加后降低的趋势。综上，60% 的秸秆还田量与地膜覆盖相结合更能有效的培肥土壤，提高水稻产量。
本文源自党昆; 陈伟; 张洪淇; 王祥涵; 艾佳鑫; 王映凯; 郑浣彤; 王晓航; 耿艳秋; 金峰; 郭丽颖; 邵玺文， 东北农业科学 发表时间：2021-05-06《东北农业科学》(原：吉林农业科学)(双月刊)创刊于1960年，是吉林省农业科学院、中国农业科技东北创新中心主办的综合性农业科学技术刊物。主要刊登作物育种、耕作栽培、植物保护、土壤肥料、畜牧兽医、果树园艺等专业的科学论著、试验研究报告、推广技术、农业科研动态及国外农业考察报告等。
关键词：水稻;秸秆还田;地膜覆盖;土壤理化性质;产量
1 前 言
水稻是我国主要的粮食作物之一，随水稻种植面积增加，秸秆量逐年积累。人们为了处理水稻秸秆，大量的焚烧秸秆，不仅对环境造成了很大的污染，而且对可再生资源也是一种浪费[1]。因秸秆还田能够提高土壤养分、改善农田生态环境[2]，秸秆还田越来越受人们的重视。然而秸秆还田也存在局限性，秸秆还田量和温度均能够影响秸秆还田的培肥效果。研究表明，C/N 过高会导致微生物与作物产生争氮 [3];除此之外，虽然秸秆有机养分丰富，大量还田会导致较难分解的物质积累如木质素和纤维素，从而导致地块板结，降低水稻产量[4];另外，对于北方稻作区以及温度较低的山区冷浸田，低温限制了土壤微生物的活性，降低秸秆的腐解效率，同时影响土壤养分的分解与转化，从而导致秸秆还田的培肥效果降低。
地膜覆盖是一种农业栽培技术，农用地膜覆盖技术的应用与推广是传统农业转变的重要标志。因其还具有保温保水，抑制杂草等作用，有利于作物的生长[5]。对山区冷浸田和受低温限制的北方稻作区水稻，地膜覆盖有着重要的作用[6]。近几年来，随着地膜覆盖技术的推进，我国不同程度地开展了覆盖条件下下土壤理化性质的变化、以及对产量形成的影响等一系列科研工作，并取得了良好的成果[7]。
秸秆还田与地膜覆盖二者都对作物的生长环境提供有利的条件。前期研究发现地膜覆盖与秸秆还田结合应用能够提高稻区土壤温度，促进水稻的生长发育，提高水稻产量[8]。为了进一步探讨秸秆还田和地膜覆盖对稻区土壤理化性质及其水稻产量的影响，本试验以吉粳 88 作为试验材料，研究地膜覆盖与秸秆还田相结合对稻区土壤容重、pH 值、以及土壤全氮、有机质、碱解氮、速效磷、以速效钾含量及其产量的影响，以期为稻田秸秆还田与地膜覆盖相结合的栽培方式的应用提供理论依据。
2 材料与方法
2.1 试验材料
本试验选用吉林省中晚熟粳型常规超级稻品种吉粳 88，生育 141 d～143 d，需≥10 ℃ 积温 2900～3100 ℃·d。试验采用的秸秆还田量由 1:1.1 谷草比折算，秸秆还田全量为 8000 kg/hm2。
2.2 试验地点
本试验于 2017—2018 年在吉林农业大学水稻试验田进行，试验田的气候条件及土壤环境如表 1 所述。
2.3 试验设计
本试验在覆膜(F)和不覆膜(F0)两种栽培体系下设置 5 组秸秆还田量梯度 0%(S0)、 20%(S1)、40%(S2)、60%(S3)和 100%(S4)。本试验设 3 次重复，共计 30 个小区，试验小区面积为 15 m2 (长为 5 cm,宽为 3 cm)，本试验于 4 月 10 日—4 月 13 日播种，选用 2 kg 吉粳 88 稻种进行旱育苗方式育秧，育秧期间与常规育秧管理方式相同，5 月 22 日—5 月 24 日进行移栽插秧。人工将秸秆(5 cm～7 cm 长度)均匀施入小区内，将其与耕层土壤混匀，保证秸秆还田深度为 0 cm～20 cm。本试验选用黑色降解膜，以做畦开沟的方式覆膜。常规水稻栽培中，移栽至水稻收获(9 月 28 日—9 月 30 日)前 2 周，田间保持 2～ 3 cm 水层。各小区(肥料均一次性施入，不追肥)纯氮素用量为 220 kg/hm2， 纯磷 P2O5 为 50 kg/hm2，纯钾 K2O 为 75 kg/hm2。
2.4 采样
在水稻成熟期采取五点取样法取每个小区 0 cm～20 cm 土壤样品，阴凉干燥 3 个月后，进行手工磨样，分别过 20 目、100 目筛，过筛之后分类编号，等待指标的测定。
2.5 测定方法
容重-测定采用环刀法[9]，pH-测定采用电极法[10]，全氮-测定采用凯氏定氮法[11]，有机质含量-测定采用重铬酸钾氧化法[12]，碱解氮-测定采用碱解扩散法[13]，速效磷-测定采用钼锑抗比色法[14]，速效钾-测定采用火焰光度法[15]。
2.6 测产与考种
成熟期于每小区选取具有代表性的 5 穴植株(长势均匀)进行考种，收取 2 m2 植株测产。
2.7 数据分析
本文以 2017 年和 2018 年两年的数据采用软件 Microsoft 和 DPS 分析处理。
3 结果与分析
3.1 秸秆还田与地膜覆盖对土壤容重、pH 值的影响
由图 1 知，2017 和 2018 年结果显示，在相同秸秆还田量下，覆膜处理土壤容重均低于不覆膜处理，且随着秸秆还田量的增加，土壤容重呈现先降低再增高的趋势。无论覆膜与否，2017 年在 S2 处理下达到最小值，2018 年在 S3 处理下有最小值。2017 年，S2 处理较其他处理降低了 3.0%～10.4%;2018 年，S3 处理较其他处理降低了 5.2%～12.7%。
由图 2 知，2017—2018 年土壤 pH 值显示，在相同秸秆还田量下，覆膜处理土壤 pH 值均低于不覆膜处理，且随着秸秆还田量的增加，土壤 pH 呈现先降低再增高的趋势。无论覆膜与否，2017 年在 S2 处理下达到最小值，2018 年在 S3 处理下有最小值。2017 年 S2 处理 pH 值较其他处理处理降低了 1.2%～5.3%。2018 年，S3 处理较其他处理降低了 0.2%～5.6%。
3.2 秸秆还田与地膜覆盖对土壤养分含量的影响
由表 2 知，地膜覆盖和秸秆还田相结合能够显著的影响土壤碱解氮、速效磷含量。在相同秸秆还田量下，覆膜处理土壤全氮、有机质(除 S0 处理)、碱解氮、速效磷、速效钾的含量均高于不覆膜处理，且无论覆膜与否，随着秸秆还田量的增加，均呈现增加再降低的趋势。2017 年和 2018 年分别在 FS2 和 FS3 处理下达到最大值。全氮含量结果显示：2017 年在覆膜情况下，S2、S3 处理土壤全氮均显著高于 S0、S1、S4 处理，S2 高于 S3，但无显著差异。2018 年无论覆膜与否，S3 均显著高于其他处理。有机质含量结果显示：2017 年在覆膜情况下，S0 处理有机质显著低于其他处理，S1、S2、S3、S4 处理间均无显著性差异。 2018 年无论覆膜与否，S3 处理有机质均显著高于 S0、S1、S2、S4 处理。碱解氮含量结果显示：2017 和2018 年S2 和S3 处理显著高于其他还田量处理 0.5%～11.6%和4.0%～21.2%。 2017 年 FS2 高于 F0S2，但差异不显著;2018 年 FS3 显著高于 F0S3。速效磷含量结果显示：无论覆膜与否，2017 和 2018 年 S2 和 S3 处理显著高于其他还田量处理 13.77 mg/kg～39.57 mg/kg 和 13.65 mg/kg～33.13 mg/kg。2017 年 FS2 显著高于 F0S2;2018 年 FS3 高于 F0S3，但差异不显著。速效钾含量结果显示：覆膜条件下， 2017 年，不同还田量表现为： S2>S3>S1>S4>S0，S1、S2、S3、S4 间无显著性差异，但均显著高于 S0;2018 年不同还田量表现为：S3>S2>S4>S1>S0，S1、S2、S3、S4 间无显著性。
3.3 秸秆还田与地膜覆盖对水稻产量及产量构成因素的影响
由表 3 知，地膜覆盖和秸秆还田显著影响产量。在相同秸秆还田量处理下，覆膜处理籽粒产量高于不覆膜处理;随着秸秆还田量的增加，产量呈先增加后减小的趋势。在覆膜条件下，2017 和 2018 年分别在 S2、S3 处理有最高值 11.93 t/hm2和 12.9 t/hm2。不同处理产量构成因素则表现为，秸秆还田处理显著的影响着有效穗数、穗粒数、结实率和千粒重。地膜覆盖处理对穗粒数、结实率和千粒重的影响不显著，而显著提高有效穗数。无论是否覆膜，有效穗数和穗粒数均随秸秆量的增加呈现而先增加后降低趋势。在 2017 年，无论覆膜与否，有效穗数 S2 处理均达到最高，显著高于 S0;穗粒数 S3 处理均显著高于其他处理;结实率均在 S1 处理下有最高值，且显著高于其他处理;千粒重在 S4 有最大值，显著高于 S0。在 2018 年，无论覆膜与否，水稻穗粒数、有效穗数、结实率均在 S3 处理下有最大值，均显著高于 S0;千粒重各处理间无显著差异。
4 讨 论
4.1 秸秆还田与地膜覆盖对土壤容重、pH 的影响
土壤容重的高低能够显示出土壤结构的好坏以及矿物质含量的多少，农业土壤 1.2～ 1.4 g/cm3之间表示土壤结构好而矿物质多[16]。研究表明，秸秆还田能够改善了土壤团粒结构，增加了土壤孔隙度，使得土壤疏松，提高土壤透气性并益于好氧型微生物的活动和繁殖，从而降低土壤容重[17]。本研究表明，秸秆还田与地膜覆盖相结合能够降低土壤容重。无论覆膜与否，随着秸秆还田量的增加，土壤容重表现出先降低后增加的趋势，但仍然低于无秸秆还田处理，其中 FS3(覆膜-60%的还田量)下更能有效地降低土壤容重。分析其可能原因是地膜覆盖与秸秆还田相结合，提高了土壤温度，活跃了土壤微生物，促进了秸秆的腐解，从而降低了土壤容重[18]。但秸秆还田量过大导致部分秸秆不能够完全腐解，影响土壤容重的降低 [19]。
土壤 pH 值是影响土壤肥力的重要因素之一，不但影响作物根系及微生物的活性，而且影响土壤养分的有效性[20]。前人研究表明，覆膜处理可以加快土壤中有机质的分解，使土壤中的 CO2的浓度增加，降低氧气浓度，氧化还原电位下降[3] ,除此之外，地膜覆盖可以升高水温，使根系分泌大量的有机酸，从而引起土壤 pH 降低[21]。本试验结果显示在相同秸秆还田量下，覆膜处理土壤 pH 值均低于不覆膜处理。但在不同还田量之间土壤 pH 的变化不同，可能是由于秸秆在腐解过程中，增加了土壤有机质的含量，从而增加 CO2的释放量;秸秆全量还田可能限制了土壤微生物的活性，导致秸秆的分解减缓，减缓了有机酸的生成，从而影响了土壤 pH 值的降低程度。
4.2 秸秆还田与地膜覆盖对土壤养分含量的影响
有机质和全氮是土壤的重要组分，是植物的养分来源和土壤微生物生命活动的能量来源 [22]。本试验结果显示，无秸秆还田情况下，覆膜处理土壤有机质、全氮含量低于不覆膜处理，但秸秆还田与地膜覆盖相结合能够提高土壤有机质、全氮的含量。前人研究表明覆膜的保温保水作用改善了土壤结构，增加了微生物活性，促进了土壤养分的分解[23]， 加大了有机物矿化速率，从而降低了土壤的有机质和全氮的含量[24];但由于有机质具有稳定性，所以这种降低是缓慢的。秸秆还田向土壤中输送新鲜丰富的矿质营养和有机物质，从而增加土壤有机质、全氮的含量[25]。地膜覆盖促进了秸秆的腐解，弥补单一的地膜覆盖造成的土壤肥力的降低，达到了有效的培肥效果[26]。
水稻秸秆中含有十分丰富的氮、磷、钾等多种营养元素，秸秆的分解使土壤碱解氮、速效磷以及速效钾的含量增加[27]，前人研究表明，经过 5 年在 0 cm～20 cm 的耕作层内进行稻草还田研究，速效氮、速效磷、速效钾都有很大程度的提高[28]。本试验研究表明，秸秆还田与地膜覆盖能够提高土壤碱解氮、速效磷、速效钾含量，原因可能是，地膜覆盖和秸秆还田相结合,促进了秸秆的腐解，从而提高了土壤碱解氮、速效磷、速效钾含量[29]。但是秸秆全量还田也会降低秸秆还田培肥效果，原因可能为秸秆腐解所释放的养分不足以弥补自身腐解所消耗的养分[8]。另外，2017 研究结果显示，在 40%的还田量下，秸秆还田与地膜覆盖对土壤有机质和全氮的提高表现最优，2018 年则是 60%的还田量与地膜覆盖地相结合，更能有效的提高土壤碱解氮速效磷以及速效钾的含量。这表明，随着秸秆还田年限的增加，稻区土壤的有机质、全氮等养分积累，微生物活性增强，增强了腐解秸秆的能力，从而使秸秆还田量有效的增加[30]。
4.3 秸秆还田与地膜覆盖对水稻产量及其产量构成因素的影响
土壤养分含量对作物产量具有显著影响[31]。前人研究表明，秸秆还田与地膜覆盖相结合能够改善土壤环境，协调土壤水肥供需关系，优化作物产量构成因子[32]。本试验研究发现，地膜覆盖与适量的秸秆还田量相结合有利于水稻产量的增加。一方面可能由于地膜覆盖与适量的秸秆还田相结合能够降低土壤容重以及 pH 值，提高土壤养分含量，有利于根系的生长和对养分的吸收，有利于源的储存，从而提高水稻的产量[33];另一方面地膜覆盖与适量秸秆还田相结合能够增加土壤温度，增加了干物质的积累，从而有利于水稻产量的提高[34]。
5 结 论
60%的秸秆还田量和地膜覆盖相结合应用能够更有效的降低稻区土壤容重、pH 值，增加土壤有机质、全氮、碱解氮、速效磷、速效钾等养分含量，提高水稻的产量。